Forskare från Hong Kong Baptist University (HKBU) har utvecklat en ny teknik som kan producera rena terapeutiska läkemedel utan biverkningar.

Tillvägagångssättet, som använder en enhet för tillverkning av nanostruktur, kan manipulera kiraliteten hos läkemedelsmolekyler genom att kontrollera riktningen ett substrat roteras inuti enheten, eliminerar därmed de möjliga biverkningar som kan uppstå när människor tar läkemedel som innehåller molekyler med felaktig kiralitet.

Publicerad i den vetenskapliga tidskriften Naturkemi , forskningsresultaten banar väg för massproduktion av renare, billigare och säkrare läkemedel som kan tillverkas på ett skalbart och mer miljövänligt sätt.

Kontroll av molekylär kiralitet förbättrar läkemedelssäkerheten

Många kemiska molekyler har två konfigurationer, eller kirala versioner, som är spegelbilder av varandra. Medan de delar samma molekylformel, de två kirala versionerna har olika arrangemang av sina ingående atomer i rymden. De två versionerna av molekylerna kännetecknas av vänsterhänta och högerhänta kirala konfigurationer som mänskliga händer. Molekyler med "vänsterhänt" och "högerhänt" kiralitet kan ha helt olika biokemiska effekter.

Mer än hälften av de terapeutiska läkemedlen består av lika stora mängder vänsterhänta och högerhänta kirala molekyler, allmänt känd som "racemates"; man kan bota specifika sjukdomar, men den andra kan ha negativa effekter. Att separera och producera molekyler med endast det kirala arrangemanget (känd som en enda enantiomer) som ansvarar för de terapeutiska effekterna kan hjälpa till att producera läkemedel med förbättrad säkerhet och effektivitet.

Makroskalig kontroll av molekylär kiralitet

I allmänhet, molekyler har en extremt liten storlek som sträcker sig från en miljondel till en hundra tusendel av diametern på ett människohår. Det är därför extremt utmanande att selektivt producera en av de två kirala molekylversionerna med hjälp av "makro-skala" kontroll (dvs den dimensionella skalan som kan ses med blotta ögat och manövreras för hand). För att producera enantiomerläkemedel, kemister har överväldigande använt molekyler som kallas "kirala ligander" för att effektivt kontrollera den molekylära kiraliteten hos läkemedel i laboratoriet eller industrin i molekylär skala, en process som kallas asymmetrisk syntes. Dock, den befintliga tekniken för att producera enantiomerläkemedel består av komplicerade procedurer, som är dyra och miljöovänliga.

Dr Jeffery Huang Zhifeng, Docent vid institutionen för fysik vid HKBU, och hans forskargrupp utarbetade ett nytt tillvägagångssätt för att manipulera molekylär kiralitet genom kontroll i makroskala i samarbete med Sichuan University, Guangxi Medical University och Southern University of Science and Technology. Det innebär att förmedla manipulationen med spiralformade metallnanostrukturer (dvs metallnanohelixar) som är i form av en spiralformad fjäder, och de har en karakteristisk storlek på en tusendel av diametern på ett människohår.

Rotationsriktningen bestämmer molekylär kiralitet

Forskargruppen tillverkade metallnanohelices med hjälp av en nanotillverkningsteknik som kallas glancing angle deposition (GLAD). Silver och koppar avsattes på ett stödjande substrat som roterades medurs och moturs för att tillverka de höger- och vänsterhänta metallnanohelixarna, respektive.

Forskargruppen använde sedan ultraviolett ljus för att inducera en kemisk reaktion. Detta fick 2-antracenkarboxylsyra (AC) molekyler som adsorberade på metallnanohelixarna att genomgå den kemiska reaktionen och bilda kirala molekylära produkter, som liknar vissa kirala läkemedel. När AC fästes på ytan av de högerhänta metallnanohelixarna och exponerades för ultraviolett ljus, det producerade företrädesvis "högerhänta" kirala molekylära produkter. Av samma skäl, när AC adsorberades på ytan av de vänsterhänta metallnanohelixarna och exponerades för ultraviolett ljus, det producerade företrädesvis "vänsterhänta" kirala molekylära produkter. Med andra ord, kiraliteten hos den molekylära produkten kan bestämmas tillförlitligt av kiraliteten hos metallnanohelixarna, som styrs av substratets rotationsriktning.

Forskningen visar att styrning av substratrotationsriktningen på en makroskopisk nivå bekvämt kan manipulera molekylär kiralitet. Detta är en aldrig tidigare skådad tillämpning av metoden i makroskala (genom kontroll av rotationsriktningen för en 4-tums substrathållare) för att manipulera kiralitet i molekylär skala (kirala molekylära produkter i intervallet en miljarddels meter) .

Grönt tillvägagångssätt för att minska läkemedelsbiverkningar

"Vår framgång med att manipulera molekylär kiralitet genom makroskopisk ingenjörskonst möjliggör bekväm syntes av läkemedel i enkelenantiomerformer med endast vänster- eller högerhänthet. Därför, det hjälper till att bli av med det negativa, ibland dödlig, biverkningar av många terapeutiska läkemedel, " sa Dr Huang.

Användningen av kirala ligander i den konventionella metoden för asymmetrisk syntes är oundviklig, och det kan orsaka att föroreningar kommer in i miljön. I kontrast, i detta nya tillvägagångssätt kan metallnanohelixen användas upprepade gånger för att producera singel-enantiomerläkemedel utan användning av kirala ligander. Som ett resultat, det banar väg för massproduktion av prisvärda terapeutiska läkemedel som tillverkas på ett skalbart sätt med återvinningsbara material.